Автоматизация стадии пастеризации производства молочного мороженого

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

 

Нижегородский Государственный  технический университет

 

Дзержинский политехнический  институт

 

Кафедра  «Автоматизация технологических процессов и производств»

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовой работе

по дисциплине

 

 

«СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПИЩЕВЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ»

Автоматизация стадии пастеризации производства молочного мороженого

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                   Факультет:  ХПИ

                                                                   Группа:  05-МАПП

                                                                   Студент:  Вологодская Е.Н.

                                                                   Руководитель: Тараненко Е.В.

 

 

 

 

 

 

 

Дзержинск, 2009г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение           

1. Описание технологического процесса и оборудования     
2. Анализ технологического процесса как объекта автоматизации   
3. Выбор и разработка функциональной схемы автоматизации    
4. Выбор технических средств автоматизации
5. Описание средств автоматизации      

Заключение           

Литература           

 

 ВВЕДЕНИЕ.

 

Автоматизация технологических процессов  является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения условий труда. Все существующие и строящиеся промышленные объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации.

Проектами наиболее сложных производств, особенно в черной металлургии, нефтепереработке, химии и нефтехимии, на объектах производства минеральных удобрений, энергетики и в других отраслях промышленности, предусматривается комплексная автоматизация ряда технологических процессов.

Разрабатываемая линия производства мороженого является полупериодической, поэтому полная автоматизация производства невозможна. Но с помощью приборов и датчиков можно управлять отдельными частями технологического процесса, уменьшив долю ручного труда и упростив наблюдение и управление технологическим процессом  

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ

 

Приготовление исходной смеси происходит в пастеризационной ванне ВП (рисунок 1), в которую происходит дозировка: молока(воды), сухих компонентов(сухое молоко, сахар-песок и др.), жировых компонентов(масло коровье), сгущенного молока, сливок, стабилизаторов и др. Вода проходит многостадийную очистку (на схеме не показано) и закачивается в ванну приготовления смеси ВС центробежным насосом, в объёме . Далее в ванну ВС в ручную дозируются сухие компоненты и включается турбинная мешалка, которая способствует наилучшему растворению сухих компонентов.

Пастеризационная ванна ВС обогревается при помощи теплоносителя, который  течёт по змеевику вокруг ванны ВС. В качестве теплоносителя на данном предприятии используется горячая  вода . Горячая вода циркулирует по круговой системе и подогревается до нужной температуры в газовом котле ГК (рисунок 1).

Для лучшего растворения сухих  компонентов в воде (молоке) в ванне ВС установлена мешалка, которая включается после заполнения ванны водой (молоком) вручную, нажатием кнопки на щите управления.

Температура пастеризации смеси равна  , при этой температуре происходит уничтожение споровой формы микроорганизмов. Температура в ванне ВС не должна быть ниже , но также не должна превышать её более чем на , т.к. это приведёт к увеличению длительности процесса приготовления смеси, перерасходу: газового топлива, электроэнергии, что экономически не выгодно. После достижения смеси температуры , открывают кран в днище аппарата и смесь подаётся на дальнейшие технологические стадии. После опорожнения аппарата цикл приготовления смеси повторяется.

 

 

 

2 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

 

Изучив технологический процесс приготовления смеси мороженного и ознакомившись с принципом работы аппаратов входящих в данный процесс можно прийти к выводу, что наиболее характерными технологическими параметрами, определяющими нормальное протекание процесса являются:

- количество воды(молока) подаваемый в ванну ВС, т.к. для получения смеси высокого качества необходимо строгое соблюдение рецептуры;

- температура теплоносителя(горячая  вода), т.к. это влияет на длительность  приготовления смеси. Температура зависит от подачи газообразной смеси (природного газа и воздуха) в газовый котёл;

- температура смеси в ванне  ВС, влияющая на качество смеси  мороженного.

При дозировке воды (молока) в ванне ВС необходимо контролировать уровень жидкости. Для этого на емкости ставим датчик уровня, который будет подавать сигнал на сигнализатор уровня. При достижении заданной отметки сигнализатор уровня подает сигнал на регулирующий клапан, который автоматически перекрывается.     

Так как для получения смеси  высокого качества необходимо строгое соблюдение рецептуры, значит нужно точно знать количество молока и воды, подаваемых в емкость. Для этого на трубопроводы, по которым будут подаваться компоненты, ставиться расходомер от которого сигнал поступает на систему управления, которая запрограммирована на нужное количество молока (воды).

На  входе в рубашку ванны ВС происходит регистрация температуры теплоносителя ( ), при отклонении от неё сигнал подаётся на технологический измеритель-регулятор и далее на исполнительное устройство, в результате чего изменяется подача газа. Для оптимального сжигания природного газа  устанавливаем на трубопроводах (на входе в газовый котёл) подачи газа и воздуха диафрагмы, для измерения расхода. От диафрагм сигнал поступает на регулятор соотношения расходов, далее на исполнительное устройство на трубопроводе воздуха, которое изменяет расход воздуха.

Внутри ванны ВС устанавливается термопреобразователь для измерения температуры смеси, от него сигнал поступает на технологический измеритель-регулятор, при достижении заданной температуры, сигнал поступает на исполнительное устройство (клапан) и происходит выгрузка смеси.

Составляем технологическую карту  параметров, таблица 1.

 

Таблица 1 – Технологическая карта параметров процесса приготовления смеси мороженого

Аппарат	Параметр			Функции системы автоматизации
	Наименование и размерность	Номинальное значение	Предельные значения
1	2	3	4	5
Ванна пастеризацион- ная ВС	Уровень воды (молока), м	1	0,98-1,02	Показание, регистрация, сигнализация, прекращение подачи воды (молока) в ванну ВС
	Расход молока (воды),			Показание, регистрация, сигнализация,суммирование.
	Темпера- тура смеси, 0С	77	min 77	Показание, регистрация, открытие разгрузочного клапана.
Трубопровод подачи теплоносителя в рубашку ванны ВС	Темпера- тура теплоносителя, 0С	97	95-98	Показание, регистрация, регулирование с помощью изменения расхода газа.
Трубопровод подачи газа и воздуха	Расход воздуха,			Показание, регистрация, регулирование путем изменения расхода воздуха.

 

 

 

3 ВЫБОР И РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ.

 

Выбор данной схемы основан на том, что качество смеси мороженного зависит от полной нейтрализации споровых форм микроорганизмов, что достигается постоянным контролем температуры смеси. В данной схеме выбрана автоматическая система открытия клапана по достижению минимально-допустимой температуры смеси.

Также на качество смеси влияет точная дозировка компонентов  по рецептуре. В данной схеме выбрана автоматическая схема подачи воды (молока) в ванну ВС по отклонению уровня.

Особенностью  данной системы является то, что  она не полностью автоматизирует процесс приготовлении смеси, но зато ведётся постоянный контроль за выходной температурой смеси. И также оптимизируется расход природного газа путём регулирования соотношения (газ-воздух).

Схема автоматизации участка пастеризации смеси показана на рисуноке 1.

 

 

            Рисунок 1 Схема автоматизации участка пастеризации смеси

 

 

4 ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

 

Все выбранные  приборы занесены в таблицу 2

Таблица 2 – Спецификация на приборы и средства автоматизации

Поз.	Измеряемый (регулир.) параметр	Номинал знач. параметра	Место установки	Наименование прибора	Тип	Краткая техн. хар-ка	Кол- во	Лит. источник
1-а	Уровень смеси		Ёмкость ВС	уровнемер	ЕС12И-0,25С-М27х1б5	погр. ±3мм	1	[2]
1-б			Центральный щит	Сигнализатор уровня	СУ 200 МАИ	0-1м. ±0,02м	1	[2]
2-а	Количество молока (воды)*		Трубопровод молоко (вода)	Расходомер	Daniel UMB		2	[3]
2-б			Центральный щит	Последовательная система управления	Daniel PetroCount (SMS)		1	[3]
2-в			Трубопровод молоко (вода	Регулирующий клапан	Daniel 700		2	[3]
3-а	Температура смеси		Ёмкость ВС	Термопреобразователь	ТСМУ Метран-274	±0,2%	1	[4]
3-б			Центральный щит	Измеритель-регулятор технологический	ИРТ-5900	±0,2%	1	[4]
3-в			Трубопровод (смесь)	Клапан регулирующий с мембраной			1	[2, стр.775]
4-а	Температура теплоносителя		Трубопровод (теплоноситель)	Термопреобразователь	ТСМУ Метран-274	±0,2%	1	[4]

 

Продолжение таблицы 2

 

 

4-б			Центральный щит	Измеритель-регулятор технологический	ИРТ-5900	±0,5%	1	[4]
4-в			Трубопровод (газ)	Заслонка малого сопротивления	ЗМС 090		1	[2]
5-а	Расход смеси (газ-воздух)		Трубопровод газ (воздух)	Интеллектуальный вихревой расходомер	8800С	погр ±0,5%	2	[2]
5-б			Центральный щит	Контроллер измерительный	МС8		1	[5]
5-в			Трубопровод (воздух)	Заслонка малого сопротивления	ЗМС 030		1	[2]

 

* - Сигнал с расходомера подается на систему управления, которая дозирует количество молока и воды в ванну. 

 

 

5 ОПИСАНИЕ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

По подробней рассмотрим несколько приборов.

 

5.1 Турбинный расходомер Daniel с универсальной монтажной коробкой (UMB)

Турбинный расходомер, предназначенный  для измерения объемного расхода, широко используется в нефтяной промышленности за счет точного измерения легких углеводородов и других жидких продуктов. Конструкция расходомера Daniel серии UMB основана на применении ротора малого веса с карбидвольфрамовыми опорными подшипниками. Расходомер имеет простую конфигурацию и предназначен для использования в соответствии с инструкциями стандарта API, глава 5.3 ранее стандарт 2534 (измерение жидких углеводородов турбинными системами) и процедурами тестирования в соответствие со стандартом API, глава 4 (Системы поверки).

Турбинный расходомер Daniel UMB включает универсальную монтажную коробку для установки до двух магнито-индукционных датчиков и двухканального предварительного усилителя.

Особенности и преимущества:

• линейность выхода во всем диапазоне расхода;
• диапазон расхода 10 к 1;
• возможность измерения двунаправленного потока;
• линейность +/- 0,15%;
• воспроизводимость +/- 0,02%;
• высокочастотное импульсивное разрешение;
• улучшенная возможность обслуживания позволяет получить легкий доступ к магнито-индукционным датчикам и снижает стоимость монтажа;
• сертификация UL, CUL, CE;
• типоразмеры: от 3 до 16 дюймов.

 

5.2 Последовательная система управления  (SMS) PetroCount фирмы Daniel

Последовательная система управления представляет собой прочное компактное электронное устройство с заданием предустановок, разработанная для  последовательного смешения  до 8 продуктов через общий загрузочный  рукав. Она обеспечивает точное дозирование при коммерческом учете нефтяных, промышленных и химических продуктов. Программирование системы PetroCount SMS выполняется путем выбора нужных вариантов из встроенных меню или через программное обеспечение SMScom на базе ПК. Корпус допускает взрывозащищенное исполнение для работы в Зоне 1, а также исполнение для работы в Зоне 2. В основе системы PetroCount SMS лежит испытанная технология, обеспечивающая высокие эксплуатационные характеристики и надежность.

Особенности и преимущества:

• подключение печатных плат через разъемы;
• 50 конфигурируемых рецептов;
• аддитивное управление и учет;
• 32-битовый высокоскоростной процессор;
• четыре независимых контура разрешения;
• методы независимой температурной компенсации для отдельных продуктов;
• температурная компенсация в соответствии с таблицей API или линейное уравнение (использование 4-х проводного ТПС);
• цифровое управление клапаном;
• конфигурируемые отчеты с выводом на печать;
• два коммуникационных порта;
• дисплей на нескольких языках.

 

5.3 Термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом ТСМУ Метран-274

Может применяться во взрывоопасных  зонах, в которых возможно образование  взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом категорий IIA IIB и IIC, групп Т1-Т6 по ГОСТ 12.1.0.11

Предназначены для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким.

Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в  головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных  нормирующих преобразователей.

Основные элементы и конструкция  датчика показаны на рисунке 2. Действие термоэлектрических преобразователей основано на использовании зависимости термо-ЭДС термопары от температуры. Термо-ЭДС термопары представляет собой функцию двух температур: рабочего спая и свободного спая. Градуировка термопары осуществляется при температуре ноль градусов по Цельсию. Если эта температура не равна нулю градусов по Цельсию, в показания прибора, измеряющего термо-ЭДС, необходимо ввести поправку. Во вторичном приборе, выбранном для работы с данным датчиком, поправка на температуру свободных концов вводится автоматически. В качестве чувствительного элемента в датчике используется спай электрода из хромеля с электродом из копеля. В конструкции термоэлектропреобразователя , кроме указанной армировки, предусматривается наружная металлическая трубка(из алюминия), предохраняющая электроды от воздействия измеряемой среды, а также измеряемую среду от загрязнений. Датчик имеет малую инерционность (до 40 с).

1-чувствительный элемент; 2-порошок  окиси алюминия; 3-защитная гильза; 4-изолятор; 5-герметик; 6-клемма контактная; 7-крышка; 8-прокладка; 9-корпус головки; 10-присоединительный штуцер.

 

Рисунок 2 — Термоэлектрический датчик температуры

 

5.4 Интеллектуальный вихревой расходомер модели 8800С принадлежит к известному семейству приборов Rosemount SMART FAMILY.

Достоинства:

• цельный сварной корпус измерителя снижает вероятность утечек;
• устойчивость к вибрациям за счет специальной конструкции сенсора;
• запатентованная адаптивная цифровая обработка сигналов (ADSP) устраняет влияние помех.

Вихревой расходомер предназначен для измерения объемного (м3/ч) расходагаза. Выпускается во взрывозащищенном исполнении по классу Eex ib IIC T1...Т6. Расходомер состоит из измерительного тела и трансмиттера. При раздельном исполнении прибора трансмиттер монтируется отдельно от измерительного тела. Подключение измерительного тела в процесс происходит либо с помощью фланцевого соединения, либо (для бесфланцевого исполнения расходомера), специальным монтажным набором. Измерительное тело и готавливается из качественной нержавеющей стали и выдерживает давления разрушения до 700 бар (рисунок 3).

Рисунок 3 Измерительное тело и  трансмиттер

Трансмиттер

- Микропроцессор-контроллер с функцией  диагностики электроники и сенсора

- Устойчив к электромагнитным  помехам

- Степень защиты IP65

- Для измерительного тела программируется коэффициент температурного расширения

-  Аналоговый токовый выход  4-20мА с ЧИМ и HART/INTENSOR протоколом

-  Перестраиваемый выход с  открытым коллектором (импульсный  выход, выход ошибок и предельный  выключатель) Все данные могут быть считаны и все функции установлены прямо на приборе, без открытия корпуса во взрывоопасной области. Цифровой дисплей служит для отображения текущего или накопленного расходов. Программирование и просмотр выбранных функций осуществляется при помощи простого меню. Можно просмотреть:

-  Единицы измерения

-  Состояние выходов

-  Способ индикации

-  Параметры системы

Доступ к программированию закрывается  паролем.

Принцип измерения

При обтекании потоком газа препятствия (призмы) на гранях препятствия попеременно возникают вихры. Частота образования вихрей (при Re>3800) прямо пропорциональна зн чению скорости потока газа, а следовательно объемному расходу газа. Чередующиеся перепады давления, вызванные возникновением вихрей, воспринимаются DSC-сенсором, который преобразует пульсации давления в электрические сигналы (рисунок 4). 

Рисунок 4 Принцип измерения

Схема монтажа вихревого расходомера  показана на рисунке 5

Рисунок 5 Монтаж расходомера 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В результате проделанной работы была составлена схема автоматизации для процесса приготовления смеси мороженного. Автоматизация данного процесса необходима была в следствии того, что для повышения качества продукции необходимо строго соблюдать рецептуру и выдерживать температурный режим приготовляемой смеси мороженного. В результате проведённой автоматизации снизился объём ручного труда  
                                                          ЛИТЕРАТУРА

1. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справ. Пособие / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
2. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Автоматизация технологических процессов» для студентов спец. 260601, 260602 всех форм обучения / НГТУ; Сост. Е. В. Тараненко.- Н. Новгород, 2007- 19с.